水工钢纤维混凝土力学性能应用研究

夏海江 ，梁 力

（1.东北大学资源与土木工程学院,辽宁 沈阳 110819；2.辽宁省水利水电科学研究院,辽宁 沈阳 110003）

关于钢纤维混凝土技术，早在1910年美国有相关研究报告，英、法、德等国在1940年也开始研究，并于1963年有了关于钢纤维约束混凝土裂缝开裂机理的文献，至此进入了这种新型复合材料的开发研究应用阶段。

20世纪70年代，我国展开了钢纤维混凝土基本性能与机理研究。研究表明钢纤维混凝土具有截面小、强度高、韧性好、施工简便等多方面优点，在隧洞衬砌、矿山井巷衬砌、房屋建筑、公路桥梁等工程建设中广泛应用，取得很好效果。

1 工程背景

辽宁省某大型输水工程（一期）采用自流无压引水，输水隧洞全长近百公里，向中部地区6座城市提供工业和生活用水的一项大型跨流域引水工程。输水隧洞开挖洞径8.0 m，成洞洞径7.16 m，设计调水流量为60 m3/s，多年平均调水量18.43亿m3，总投资57.12亿元。

该工程输水隧洞部分段采用了钢纤维混凝土衬砌，为开展钢纤维混凝土技术应用研究提供了基础条件。

2 材料与方法

2.1 材料

1）钢纤维：特征参数主要有钢纤维长度、直径（或等效直径）、长径比及体积率[4]。采用鞍山市昌宏钢纤维有限公司生产的螺纹型和超细型两种。

2）水泥：浑河牌 PO42.5。

3）粉煤灰：沈海热电厂Ⅰ级粉煤灰。

4）细骨料：抚顺章京12号料场的天然河砂，中砂。

5）粗骨料：抚顺章京12号料场的卵石，二级配（5～10，10～20 mm）。

6）外加剂：上海麦斯特高效减水剂，属聚羧酸盐类。

7）水：自来水。

2.2 基本参数

1）基准混凝土配合比粉煤灰掺量为10%。

2）最优砂率为45%。

3）二级粗骨料重量比 1∶1。

4）初始坍落度控制为190±30 mm。

5）混凝土设计强度等级为CF30F100W8，配制抗压强度按GB50204《混凝土结构工程施工及验收规范》的规定，计算为38.2 MPa。

6）水灰比按JGJ55-200《普通混凝土配合比设计规程》及混凝土配制强度、水泥28 d实测强度值初算。根据CECS38：2004《纤维混凝土结构技术规程》，对于以耐久性为主要要求的混凝土，水灰比不得大于0.45；根据《泵送混凝土施工技术规程》FGJ/T10-95，泵送混凝土的水灰比宜为0.4～0.6，试验中使用的外加剂具有高效减水作用。因此，确定基准混凝土配合比水灰比为W/（C+F）=0.40。

7）基准混凝土单位用水量为168 kg。

8）根据已有资料及工程经验，选择钢纤维体积率为0.50%，对应掺量为40 kg/m3。其他体积率的对应掺量按此等比例计算。

2.3 方法

基准混凝土配合比分别掺入2种钢纤维，钢纤维体积率分别为 0，0.25%，0.5%，0.75%，1.0%，1.25%，1.5%，1.75%，2.0%，进行混凝土拌合，测试抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度、初裂强度、韧度指数。

3 结果

3.1 抗压强度

随着钢纤维体积率增加，混凝土抗压强度逐渐降低；在相同钢纤维体积率时，超细型钢纤维混凝土抗压强度普遍大于螺纹型钢纤维混凝土抗压强度0.5～5.5 MPa，高出比例为1.2%～17.0%。当钢纤维体积率为0时（即素混凝土），钢纤维混凝土抗压强度最高，掺超细型和螺纹型两种钢纤维的混凝土抗压强度均为42.4 MPa；当钢纤维体积率为2.0%时，掺两种钢纤维的抗压强度均达到较小值，抗压强度分别为31.9 MPa和30.1 MPa，相当于素混凝土抗压强度的75%和71%。混凝土抗压强度与钢纤维体积率变化过程曲线见图1。

同时，钢纤维混凝土抗压试验过程中，试件破坏面较素混凝土的粗糙，与水平面夹角达到60°～70°，近似与加载方向平行，且混凝土破碎现象不明显。说明钢纤维混凝土抗剪切能力增强。

3.2 抗折强度

随着钢纤维体积率ρf由0.0%增大到1.5%，混凝土抗折强度缓慢逐渐增大；ρf由1.5%增大到2.0%，混凝土抗折强度逐渐降低。在相同钢纤维体积率时，超细型钢纤维混凝土抗折强度普遍大于螺纹型钢纤维混凝土抗折强度0.10～0.53 MPa，高出比例为2.2%～12.6%。当钢纤维体积率ρf为1.5%时，钢纤维混凝土抗折强度最高，掺超细型和螺纹型两种钢纤维的混凝土抗折强度分别为5.05 MPa和4.62 MPa。

3.3 劈裂抗拉强度

随着钢纤维体积率ρf由0.0%增大到1.75%，混凝土劈裂抗拉强度缓慢逐渐增大；ρf由1.75%增大到2.0%，混凝土劈裂抗拉强度逐渐降低。在相同钢纤维体积率时，超细型钢纤维混凝土劈裂抗拉强度普遍大于螺纹型钢纤维混凝土劈裂抗拉强度0.06～0.55 MPa，高出比例为1.6%～13.3%。当钢纤维体积率ρf为1.75%时，钢纤维混凝土劈裂抗拉强度最高，掺超细型和螺纹型两种钢纤维的混凝土劈裂抗拉强度分别为4.99 MPa和4.91 MPa。

图1 混凝土抗压强度与钢纤维体积率变化过程曲线

3.4 初裂强度和韧度指数

钢纤维混凝土试件的初裂强度、韧度指数计算过程为：

1）将直尺与荷载～挠度曲线的线性部分重叠放置，重叠段端点A为初裂点，A点的纵坐标为初裂荷载Fcra，横坐标为初裂挠度δcr，面积OAB为初裂韧度。

2）以0为原点，按横坐标为 1.0，3.0，5.5和10.5初裂挠度δcr的倍数,在横轴上确定B，D，F和H点，用求积仪测得OAB，OACD，OAEF 和 OAGH 的面积, 分别记 1 作 Ωδ，Ω3δ，Ω5.5δ，Ω10.5δ。按下列公式计算不同变形幅度的弯曲韧度指数，以4个试件的算术平均值作为该组的韧度指数。

4）选取基准配合比编号为12-24-8的混凝土拌合物试验结果，绘制钢纤维混凝土（以超细型钢纤维=0.5%时）的荷载～挠度曲线，计算初裂强度及韧度指数，计算结果见表1。

5）不同类型钢纤维混凝土初裂强度和韧度指数比对分析。

当钢纤维体积率为0.5%时，6次重复试验，两种钢纤维混凝土的初裂强度、韧度指数比对，初裂强度相等，韧度指数基本相当，差异幅度在0.2%～1.8%以内。统计结果见表2。

3.5 荷载与挠度关系曲线比对

绘制基准混凝土及2种钢纤维混凝土（钢纤维体积率=0.5%时）的荷载～挠度曲线见图2。

由曲线变化过程，可以得出钢纤维混凝土较基准混凝土的荷载～挠度直线性过程延长；钢纤维混凝土的极大荷载大于基准混凝土的极大荷载；极大荷载之后，混凝土承载能力均在减少，基准混凝土承载能力减少速度更快，钢纤维混凝土承载能力始终大于基准混凝土的承载能力；超细型钢纤维混凝土的极大荷载大于螺纹型钢纤维混凝土的极大荷载，极大荷载之后，超细型钢纤维混凝土承载能力始终大于螺纹型钢纤维混凝土的承载能力。

表1 初裂强度及韧度指数计算结果

表2 不同类型钢纤维混凝土初裂强度和韧度指数比对分析

4 结语

1）钢纤维具有改变混凝土力学性能的作用。当钢纤维体积率由0.0%增大到2.0%，混凝土抗压强度逐渐降低；当由0.0%增大到1.5%，混凝土抗折强度逐渐增大，由1.5%增大到2.0%，混凝土抗折强度逐渐降低；当由0.0%增大到1.75%，混凝土劈裂抗拉强度缓慢逐渐增大，由1.75%增大到2.0%，混凝土劈裂抗拉强度逐渐降低。相同体积率的超细型钢纤维混凝土抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度均大于螺纹型钢纤维混凝土的相应指标数值。

图2 基准混凝土及钢纤维混凝土的荷载～挠度曲线

2）当钢纤维体积率为0.5%时，超细型和螺纹型两种钢纤维混凝土的初裂强度相等，韧度指数基本相当，6次重复试验结果差异幅度在0.2%～1.8%以内。钢纤维混凝土的荷载～挠度直线性过程延长；钢纤维混凝土的极大荷载大于基准混凝土的极大荷载；极大荷载之后，混凝土承载能力均在减少，基准混凝土承载能力减少速度更快，钢纤维混凝土承载能力始终大于基准混凝土的承载能力；超细型钢纤维混凝土承载能力始终大于螺纹型钢纤维混凝土的承载能力。

[1]O.Kayali，M.N.Haque，B.Zhu.Some characteristics of high strength fiberreinforced lightweight aggregate concrete[J].Cement&Concrete Composites，2003，25：207-213.

[2]Rami H.Haddad，Mohammed M.Smadi.Role of fibers in controlling unstrained expansion and arresting cracking in Portland cement concrete undergoing alkali-silica reaction[J].Cement and Concrete Research，2004，40：103-108.

[3]吴成三.钢纤维混凝土技术的研究[J].铁道工程学报，1994，9（3）：106-111.

[4]CECS 13∶2009，钢纤维混凝土试验方法[S].

[5]GB50204，混凝土结构工程施工及验收规范[S].

[6]JGJ55-2000，普通混凝土配合比设计规程[S].

[7]CECS38∶2004，纤维混凝土结构技术要求[S].

[8]GJ/T10-95，混凝土泵送施工技术规程[S].